变压器油纸复合绝缘极化特性试验系统及方法与流程

本发明属于油浸式电力变压器技术领域，尤其涉及变压器油纸复合绝缘极化特性的研究。

背景技术：

进入21世纪初叶，我国国民经济依旧保持着平稳高速发展的水平，国民生活质量不断提高，电力行业也步入了快速发展阶段。随着电网容量的不断提升，也对电力系统能否安全正常运行带来了严峻的挑战。据不完全统计，自2001年至2010年间，我国主要供电电网约有1/3的事故起因是由于设备发生故障损坏，由此可见如何有效提高电力设备运行可靠性是解决这一问题的关键。而电力系统最基本、最核心的电器元件就是电力变压器，其能否安全正常运行直接关系到电力系统正常运行的成败。

目前在电力系统中广泛使用的电力变压器以油浸式电力变压器和干式电力变压器为主。油浸式电力变压器采用主绝缘方式为油纸复合绝缘，其绝缘状态和性能将会直接影响变压器绝缘的电气寿命和机械寿命，因而如何准确评估变压器油纸绝缘状态便成为了行业内的重大技术难题之一。目前业内研究人员大多是基于油纸复合绝缘的老化机理，进而对变压器油纸复合绝缘老化状态进行监测方法上的研究，并根据特征量的类型将变压器油纸复合绝缘老化诊断技术分为化学物理特征量诊断技术和电特征量诊断技术两大类。其中以化学物理特征量的研究最为成熟，比较有代表性的诊断技术有：绝缘纸平均聚合度(dp)、油中溶解气体分析(dga)、油中糠醛含量等。而电特征量则是近十几年发展起来的，依旧处于研究阶段，还未得到广泛应用，其所代表的诊断技术包括：局部放电及其特征参量、介质响应测量技术。

油浸式电力变压器在长期运行过程中，其油纸复合绝缘会在外电场作用下发生极化，其中电子位移极化和离子位移极化建立的时间极短，而偶极子转向极化和复合介质界面极化建立所需的时间相对较长，产生的损耗也相对较多，进而对油纸复合绝缘性能的影响也相对较大。对于油纸复合绝缘而言，其复合介质的极化基本上是以上四种极化形式的宏观体现，然而国内外针对油纸复合绝缘极化特性的研究稍显不足。因此，对油纸复合绝缘极化特性的研究十分必要。

技术实现要素：

本发明是为了解决国内外针对油纸复合绝缘极化特性的研究不足的问题，现提供变压器油纸复合绝缘极化特性试验系统及方法。

变压器油纸复合绝缘极化特性试验系统，包括：调压设备、分压器、直流高压串级发生器和电流测量电路；

调压设备用于调节分压器的分压比，分压器将调整后的交流电压输出至直流高压串级发生器中以获得直流高压，该直流高压用于对试样进行充放电操作，电流测量电路用于测量流经试样的电流。

直流高压串级发生器由n个倍压电路级联组成，其中n为正整数。

所述倍压电路包括：二极管d1、二极管d2、电容c1和电容c2；

二极管d1的正极和电容c2的一端相连，二极管d1的负极、二极管d2的正极和电容c1的一端相连，二极管d2的负极和电容c2的另一端相连，

第i+1级倍压电路中电容c1的另一端与第i级倍压电路中二极管d1的负极相连，第i+1级倍压电路中电容c2的另一端与第i级倍压电路中二极管d1的正极相连，其中，i＝1，2，…，n-1；

第1级倍压电路中电容c1的另一端作为直流高压串级发生器的正向电压输入端，第1级倍压电路中电容c2的另一端同时作为直流高压串级发生器的反向电压输入端和直流高压串级发生器的反向电压输出端，

第n级倍压电路中电容c2的一端作为直流高压串级发生器的正向电压输出端。

所述系统还包括保护电阻r和单刀双掷开关s，

分压器为变压器，该变压器初级线圈两端作为分压器的调压信号输入端、并与调压设备的调压信号输出端连接，该变压器次级线圈的正向电压输出端连接直流高压串级发生器的正向电压输入端，该变压器次级线圈的反向电压输出端连接直流高压串级发生器的反向电压输入端，

直流高压串级发生器的正向电压输出端连接单刀双掷开关s的一个静触点，单刀双掷开关s的另一个静触点和直流高压串级发生器的反向电压输出端均与电源地相连，保护电阻r串联在单刀双掷开关s的动触点与试样的高压电极之间的通路上，电流测量电路串联在试样与电源地之间的通路上。

试样包括：金属导电棒、三电极系统、低压端引线端子和棒性绝缘套管；

金属导电棒的一端作为试样的高压电极，金属导电棒的另一端与三电极系统的高压电极电气连接，三电极系统的低压电极与低压端引线端子电气连接，低压端引线端子作为试样的高压电极连接端，金属导电棒位于棒性绝缘套管内部，棒性绝缘套管的两端通过紧固件将金属导电棒的端部与棒性绝缘套管固定，棒性绝缘套管内部与金属导电棒之间填充有变压器油。

试样还包括：抽真空管、负压表、接地螺杆、支架、试验容器和盖板；

试验容器为上开口的箱体结构，盖板将试验容器的上开口密封，三电极系统和支架均位于试验容器内部，支架用于支撑三电极系统中的浸油纸板，棒性绝缘套管的一端末端穿过盖板并位于试验容器内部，棒性绝缘套管的另一端位于试验容器外部，

低压端引线端子、抽真空管和接地螺杆均嵌固在盖板上，三电极系统的屏蔽电极与接地螺杆电气连接，抽真空管将试验容器内腔与抽真空泵连接，负压表用于检测试验容器内部的压强。

试验容器的壁厚为3mm，材料为冷轧钢，尺寸为426mm×396mm×525mm；

盖板为5.5mm厚的生铁板；盖板下表面设有与试验容器开口相互对应的凹槽，凹槽内嵌有橡胶垫圈。

棒性绝缘套管的材料为尼龙，棒性绝缘套管管壁厚度大于等于20mm，棒性绝缘套管顶端至盖板的距离为470mm。

基于上述变压器油纸复合绝缘极化特性试验装置进行试验的方法，具体为：

利用调压设备调节分压器的分压比，使得直流高压串级发生器输出直流高压，

利用直流高压串级发生器输出的直流高压对试样进行充电操作，

利用电流测量电路测量流经试样的极化电流，

对试样进行放电操作，利用电流测量电路测量流经试样的去极化电流，

分别记录极化电流值和去极化电流值，将获得的极化电流值和去极化电流值作为变压器油纸复合绝缘极化特性的评价指标，完成试验。

在试验开始前，需要对试样的变压器油进行除杂、除水和除气处理。

本发明提供了变压器油纸复合绝缘极化特性试验系统及方法，填补了国内外针对油纸复合绝缘极化特性的研究空白。

附图说明

图1为具体实施方式一所述的变压器油纸复合绝缘极化特性试验系统的结构示意图；

图2为试样的结构示意图；

图3为极化与去极化电流测量电路示意图；

图4为极化与去极化电时电压波形图；

图5为极化与去极化电时电流波形图；

图6为极化与去极化电时电流变化波形对比图；

图7为四种绝缘结构示意图；

图8为三电极尺寸示意图；

图9为浸油纸板处理流程图；

图10为变压器油处理流程图；

图11为加压曲线图；

图12为单层浸油纸板位于低压极侧的绝缘电流曲线图，其中(a)表示50kv下绝缘电流，(b)表示60kv下绝缘电流，(c)表示70kv下绝缘电流；

图13为单层浸油纸板位于低压极侧的电流校核曲线图，其中(a)表示50kv下绝缘电流，(b)表示60kv下绝缘电流，(c)表示70kv下绝缘电流；

图14为单层浸油纸板位于高压极侧的电流校核曲线图，其中(a)表示50kv下绝缘电流，(b)表示60kv下绝缘电流，(c)表示70kv下绝缘电流；

图15为单层浸油纸板位于电极居中位置的电流校核曲线图，其中(a)表示50kv下绝缘电流，(b)表示60kv下绝缘电流，(c)表示70kv下绝缘电流；

图16为双层浸油纸板复合绝缘的电流校核曲线图，其中(a)表示50kv下绝缘电流，(b)表示60kv下绝缘电流，(c)表示70kv下绝缘电流。

具体实施方式

具体实施方式一：本实施方式所述的变压器油纸复合绝缘极化特性试验系统。

如图3、4和5所示，与电流表串联的电容代表试样。当开关s置于左侧，此时直流电压u0给试样充电并持续一段时间tp，流过试品的电流ipol称作极化电流，tp称作极化时间；充电完毕后将开关s置于右侧，这时试样对地短路放电并持续一段时间td，流过试品的电流idep称为去极化电流，td称为去极化时间。如图6所示，极化电流ipol会随着加压时间的增长而逐渐衰减，最后趋于稳定；去极化电流idep会随着对地短路放电时间的延长而逐渐衰减至零，去极化时间从几千秒到几小时不等。

极化电流ipol和去极化电流idep的由位移电流id(t)、吸收电流ia(t)和电导电流ir(t)三种电流组成，表达式如式(1)、(2)所示：

ipol(t)＝id(t)+ia(t)+ir(t)(1)

idep(t)＝id(t)+ia(t)(2)

1、位移电流id(t)

位移电流是在施加电压时对试品几何电容进行充电的电流，会在极短时间内衰减完毕。当撤去电压将试品对地短路放电时，位移电流会形成与充电时方向相反的瞬时衰减电流。

2、吸收电流ia(t)

吸收电流是由电介质的电子、离子和偶极子极化所产生的随时间缓慢衰减的电流，衰减时间为几分钟到几十分钟不等。当撤去电压将试品对地短路放电时，试品会流过和充电时相反的吸收电流。并会在数十分钟到数小时后衰减完毕。

3、电导电流ir(t)

电导电流是在电介质内部移动的电子和离子组成的不随时间变化而变化的稳态电流。

位移电流是瞬间衰减电流，在极化去极化电流中可将其舍去，由此通过极化去极化电流之差可推导出电介质的直流电导率σ。

由于电介质响应函数f(t)是时变衰减函数，当极化时间tp足够长的时候，f(t+tp)≈0，此时响应函数f(t)与去极化电流idep成正比。

根据以上原理，本实施方式依据油浸式变压器主绝缘的实际结构设计试验模型，浸油纸板和油隙相结合的绝缘方式构成了油浸式变压器主绝缘结构。油浸式变压器油纸复合绝缘模型有很多种。其中，平板电极模型及圆筒形电极模型为其运用最为普遍的绝缘结构模型。本实施方式所述的试验模型分别从四种结构进行分析和研究，如图7所示四种绝缘结构模型，其中，图7(a)单层浸油纸板靠近高压电极模型，其中71绝缘支撑、72高压电极、73低压电极、74屏蔽电极、75油隙、76浸油纸板；图7(b)单层浸油纸板在电极中间位置模型；图7(c)单层浸油纸板靠近低压电极模型；图7(d)双层浸油纸板在电极中间位置模型。

电极系统通常分为二电极系统和三电极系统。由于本试验需要测量流过试样的体积电流，所以本文采用三电极试验系统。试验中所使用的三电极系统尺寸见图8，其中，高压电极与低压电极尺寸相同呈镜像对称布置。除此之外，为了提高试验数据的精确度，采用屏蔽极(宽度为15mm)包裹在低压电极外侧的方式，其有效的隔离了绝缘支撑处的表面电流、杂散电流和油隙内的泄漏电流。b1与b2分别为电极之间的距离以及纸板厚度；b1可调，本试验中b1取6mm，b2为1mm，位置可通过绝缘支撑调节。

如图2所示，本实施方式为避免在强电场环境下不必要的影响，取得更好的试验数据，选用试样(4)包括：金属导电棒(41)、三电极系统(42)、低压端引线端子(43)、棒性绝缘套管(44)、抽真空管(45)、负压表(46)、接地螺杆(47)、支架(48)、试验容器(49)和盖板(40)；

金属导电棒(41)采用铜杆。金属导电棒(41)的一端作为试样(4)的高压电极，金属导电棒(41)的另一端与三电极系统(42)的高压电极电气连接，三电极系统(42)的低压电极与低压端引线端子(43)电气连接，低压端引线端子(43)作为试样(4)的高压电极连接端，金属导电棒(41)位于棒性绝缘套管(44)内部，棒性绝缘套管(44)的两端通过紧固件将金属导电棒(41)的端部与棒性绝缘套管(44)固定，棒性绝缘套管(44)内部与金属导电棒(41)之间填充有变压器油，棒性绝缘套管(44)的材料为尼龙，棒性绝缘套管(44)管壁厚度大于等于20mm，棒性绝缘套管(44)顶端至盖板(40)的距离为470mm。

试验容器(49)为上开口的箱体结构，试验容器(49)的壁厚为3mm，材料为冷轧钢，尺寸为426mm×396mm×525mm；盖板(40)为5.5mm厚的生铁板，试验容器(49)用来承载三电极系统和试验介质，试验容器(49)底部设置有两个带控制阀的小孔，分别用于注油和放油，试验容器(49)两侧侧面分别设置半径60mm的钢化玻璃作为观察窗。

盖板(40)下表面设有与试验容器(49)开口相互对应的凹槽，凹槽内嵌有橡胶垫圈。

试验容器(49)开口能够嵌入盖板(40)的凹槽内，进而利用盖板(40)将试验容器(49)的上开口密封。当对试验容器(49)抽真空时橡胶垫圈能够防止漏气，盖板(40)上留有绝缘套管组装孔、抽真空孔及负压表安装孔。

三电极系统(42)和支架(48)均位于试验容器(49)内部，支架(48)用于支撑三电极系统(42)中的浸油纸板，棒性绝缘套管(44)的一端末端穿过盖板(40)并位于试验容器(49)内部，棒性绝缘套管(44)的另一端位于试验容器(49)外部，

低压端引线端子(43)、抽真空管(45)和接地螺杆(47)均嵌固在盖板(40)上，三电极系统(42)的屏蔽电极与接地螺杆(47)电气连接，抽真空管(45)将试验容器(49)内腔与抽真空泵连接，负压表(46)用于检测试验容器(49)内部的压强。

由于试验容器(49)由金属制成，电极在引入高压时必须进行电气隔离，防止高压端对容器放电，所以高压电极引入段需要选择棒形绝缘套管(44)。

如图1所示，变压器油纸复合绝缘极化特性试验系统，包括：调压设备、分压器(1)、直流高压串级发生器、电流测量电路(3)、保护电阻r和单刀双掷开关s；

直流高压串级发生器由n个的倍压电路(2)级联组成，额定输出电压为400kv，额定输出电流为5ma，其中n为正整数。所述倍压电路(2)包括：二极管d1、二极管d2、电容c1和电容c2，分压器(1)为变压器，；

调压设备用于调节分压器(1)的分压比，分压器(1)将调整后的交流电压输出至直流高压串级发生器中以获得试验所需的直流高压，该直流高压用于对试样(4)进行充放电操作，电流测量电路(3)用于测量流经试样(4)的电流。

具体的，二极管d1的正极和电容c2的一端相连，二极管d1的负极、二极管d2的正极和电容c1的一端相连，二极管d2的负极和电容c2的另一端相连，

第i+1级倍压电路(2)中电容c1的另一端与第i级倍压电路(2)中二极管d1的负极相连，第i+1级倍压电路(2)中电容c2的另一端与第i级倍压电路(2)中二极管d1的正极相连，其中，i＝1，2，…，n-1；

变压器次级线圈正向电压输出端连接第1级倍压电路(2)中电容c1的另一端，变压器次级线圈的反向电压输出端、单刀双掷开关s的另一个静触点与第1级倍压电路(2)中电容c2的另一端同时接电源地，

第n级倍压电路(2)中电容c2的一端连接单刀双掷开关s的一个静触点，保护电阻r串联在单刀双掷开关s的动触点与试样(4)的高压电极之间的通路上，电流测量电路(3)串联在试样(4)与电源地之间的通路上。

具体实施方式二：本实施方式所述的变压器油纸复合绝缘极化特性试验方法，具体如下：

首先，进行以下的准备工作：

(1)真空滤油机。在对变压器油进行多次试验后，会在变压器油中形成气体和杂质等，这些因素不利于试验研究，因此在每次试验前都应对变压器油进行除杂、除水以及除气处理。本试验所使用的的滤油机为zya-10型高效真空滤油机，滤油量为10l/min，油中含水量≤5mg/kg，含气量≤0.1％，含杂质粒度≤5μm。

(2)真空干燥老化试验箱。在高温真空环境下更易将浸油纸板中的水分及气体从浸油纸板中脱离出去。真空干燥箱用于浸油纸板的除气、除水及保存。

(3)绝缘油介质损耗测试仪。主要用来测试变压器油的介电性能。以国标gb/t507-2002《绝缘油击穿电压测定法》为试验依据，对变压器油的外加击穿电压点进行寻找。本试验使用的是保定金源科技有限公司yj6611油耐压测试仪，测试仪完全按照国家标准设计，具有测量精度高，自动检测、自动搅拌、自动处理、自动打印、数据储存、安全可靠等优点。

(4)油含水量测试设备。油中含水量的测量原理为卡尔·费休伦法，执行标准为sh/t0207-92《绝缘油水分含量测定法》。试验使用tl-10型库伦法微量水分测定仪，通过测定仪中配置的电解液中碘的消耗量，经仪器计算等效测出水的含量。

然后，进行试样的处理：

(1)浸油纸板的处理。试验所用纸板选则专业制造变压器纸板的魏德曼公司的1mm厚层压纸板，为了保证试样浸油纸板的试验品质，浸油纸板严格按照国标的要求处理。首先，将纸板剪裁测量含水率，然后浸油处理，对干燥箱进行加热，保证其内部完全干燥并设置到相应温度，最后将浸油纸板放进干燥箱，并将内部抽成真空状态。处理的流程图如9所示。处理结束后，为了防止浸油纸板受潮或被污染，将浸油纸板密封继续存储在真空干燥箱内。试验前准备工作完成后，为了确保试验数据的准确性，要依据国标dl-449-91《油浸纤维质绝缘材料含水量测定法》进行每一步的试验，必须对浸油纸板的含水率进行检测，当检测含水率不合格，那么需要进行二次真空干燥操作，达到试验要求为止。

(2)变压器油的处理。试验开始前的准备工作包括变压器油的除水、除气以及除杂，处理的依据为sh/t-2-7-92《绝缘油水含量测定法》、gb/t507-2002《绝缘油击穿电压测定法》和gb5654-85《液体绝缘材料工频相对介电常数、介质损耗因数和体积电阻率的测量》。处理流程如图10所示。

具体试验方法如下：

(1)直流高压加压方式的确立。在iec61378关于高压直流变压器的第二部分中，列出了关于换流变压器所需的型式、常规和特殊试验。考虑到多层油纸复合绝缘试样是一个串联的复合电介质结构，在极化电压作用下，不仅包括单一电介质的极化，而且还有不同电介质之间的界面极化，所以极化过程会比较缓慢。充电时间和放电时间越长，电介质的极化和去极化就越充分，能够反映更多电介质内部的绝缘信息，有利于最终的数据分析。依据标准将极化时间设定为3600s，去极化时间设定为9000s，加压方式如图11所示。在图11中u0为所加的直流高压，经过30s匀速加压至u0，保持3600s，之后去除电压将试样短路并保持时间9000s。通过电流测量装置对全过程电流变化进行记录。

(2)起始时间计量点的确立。本试验在不同电压等级下进行电流测量，在加压完成后，在测量极化电流过程中于第5、10、15、20、30秒时记录电流值，此后每隔10秒记录一次直到1分钟为止，之后每隔1分钟记录一次直到10分钟为止，之后每隔10分钟记录一次直到60分钟为止。随后去除电压将试样短接，进入去极化过程，于第0.5、1、1.5、2.0、3.0秒时记录电流值，此后每隔1秒记录一次直到10秒为止，此后每隔10秒记录一次直到1分钟为止，之后每隔1分钟记录一次直到10分钟为止，之后每隔20分钟记录一次直到150分钟为止。

具体试验步骤：

本试验对两种类型试品(单层浸油纸板处于三电极之间不同位置、双层浸油纸板均匀分布于三电极之间)分别进行试验和数据记录。

单层浸油纸板处于三电极之间不同位置试验。做油纸复合绝缘时，要通过绝缘支架将浸油纸板的位置调整好，确保浸油纸板能够保证以下三种状态：在低压极端与低压极界面完全接触，在高压极端与高压极界面完全接触，或位于中间位置时与左右电极距离相等。试样放置结束后，进行抽真空处理，当负压表处于-0.1mpa五分钟后，结束抽真空。静止五分钟后，开始加压。全程记录电流变化数据，并观察试验现象。

上述试验中，电压初始有效值设定50kv，且每增加10kv测量一组数据，并记录一个周期内电流随时间变化曲线，最后的电压施加等级为70kv。

(1)浸油纸板位于低压极侧

单层浸油纸板位于低压极侧的油纸复合绝缘绝缘电流检测数据见图12。以本文计算的起始时间计量点为零时刻，实测电流曲线与拟合电流曲线如图13所示。极化过程中流过试品的电流i变化规律可由下式表达：

式中：ir为电导电流，na；ia0为极化电流初始值，na；τa为时间常数；b为幂指数。

(2)浸油纸板位于高压极侧

单层浸油纸板位于高压极侧时，以本文计算的起始时间计量点为零时刻，实测电流曲线与拟合电流曲线如图14所示。

(3)浸油纸板位于电极居中位置

单层浸油纸板位于电极居中位置时，以本文计算的起始时间计量点为零时刻，实测电流曲线与拟合电流曲线如图15所示。

单层浸油纸板复合绝缘极化特性分析。油纸复合绝缘系统属于串联复合介质结构，由于变压器油与浸油纸板的介电常数和体积电阻率存在较大差异，使得在两者界面处出现空间电荷积聚层，发生界面极化现象，产生极化/去极化电流。分别对单层浸油纸板复合绝缘中的浸油纸板改变其所处电极间位置进行极化/去极化加压试验，发现流过试品的绝缘电流是随时间的幂指数为变量呈指数衰减趋势，这说明单层浸油纸板复合绝缘在加压过程中发生了介质极化。同时可以看出，在极化初始阶段电流衰减幅度较大，与拟合曲线出现较大偏差，在去极化阶段电流衰减趋势与拟合曲线较为吻合。

对双层浸油纸板均匀分布于三电极之间的状态进行试验，此时要注意双层纸板之间油隙距离一致，各纸板与邻近电极距离相等。

为了试验数据具有对照性，增大试验结果的准确性，本文采用了双层浸油纸板复合绝缘进行试验研究。以本文计算的起始时间计量点为零时刻，实测电流曲线与拟合电流曲线如图16所示。

将双层浸油纸板组成的油纸复合绝缘系统的试验结果与单层浸油纸板组成的油纸复合绝缘系统的试验结果进行对比可以明显的看出，极化过程中达到稳态的时间发生了延长，去极化过程中电流的衰减幅度也大大放缓，这说明了油纸复合绝缘的极化/去极化过程会随着纸板数量的增加而变得愈加缓慢，极化/去极化时间也会随之增加，但绝缘电流也会显著降低。

总结

(1)油纸复合绝缘在试验过程中，油纸复合绝缘发生了极化，极化电流以时间的幂函数为变量以指数函数规律衰减，其中在极化初始阶段电流衰减幅度较大，与拟合曲线出现较大偏差，在去极化阶段电流衰减趋势与拟合曲线较为吻合，说明单层浸油纸板复合绝缘在加压过程中发生了介质极化。

(2)同一电压等级下浸油纸板处于油纸复合绝缘不同位置时，极化电流初始值有较大变化，去极化电流初始值变化幅度不大。

(3)双层浸油纸板组成的油纸复合绝缘系统的试验结果与单层浸油纸板组成的油纸复合绝缘系统的试验结果进行对比，可以看出双层浸油纸板复合绝缘的极化/去极化过程更加缓慢。